油膜軸承試驗臺比例閥控制

姚超東

（中國重汽大同齒輪有限公司， 山西 大同 037000）

引言

油膜軸承是一種非常理想的滑動軸承，在工作時，它能在軸與軸承之間形成一個完整的壓力膜。這個壓力膜使軸與軸承完全脫離金屬接觸，形成純液體摩擦，因此，也稱它為液體摩擦軸承。

1 油膜軸承的發(fā)展

油膜軸承誕生于20世紀(jì)30年代，當(dāng)時無論在流體潤滑原理的應(yīng)用上還是軸承結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，都不夠成熟和完善[1]。但隨著軋制工藝的不斷改進(jìn)，現(xiàn)場使用經(jīng)驗的不斷積累，軋機(jī)油膜軸承設(shè)計與制造技術(shù)也不斷進(jìn)步。我國從20世紀(jì)50年代后期開始研制軋機(jī)油膜軸承，到了20世紀(jì)60年代中期，已經(jīng)建立起一支能夠獨立進(jìn)行油膜軸承設(shè)計與制造的技術(shù)隊伍，同時建成了一個具有相當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模，能完成粗、精、超精加工的油膜軸承生產(chǎn)車間。在20世紀(jì)70年代初期，全面開展了軋機(jī)油膜軸承的激勵探討、理論計算、工藝制造、測試技術(shù)、實驗室和現(xiàn)場測試等相關(guān)工作，使我國軋機(jī)油膜軸承技術(shù)不斷向現(xiàn)代化水平邁進(jìn)?，F(xiàn)代大型軋機(jī)油膜軸承主要指裝備在大型板、帶材熱連軋機(jī)、冷連軋機(jī)及各類大型單機(jī)架軋機(jī)上的油膜軸承，它集中體現(xiàn)了現(xiàn)代軋機(jī)的特點，即大型、高速、重載、連續(xù)、自動[2-3]。

2 油膜軸承試驗臺

油膜軸承試驗臺由機(jī)械系統(tǒng)、動壓潤滑系統(tǒng)、靜壓潤滑系統(tǒng)、稀油潤滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、直流傳動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，是一個完整的機(jī)電液氣一體化綜合系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)由主軸兩端動靜壓油膜軸承和動壓油膜軸承組成，動壓油膜軸承是試驗軸承。動壓潤滑系統(tǒng)的主要功能是為三套油膜軸承提供低壓潤滑油，在動壓潤滑條件下，進(jìn)入油膜軸承的潤滑油壓力為0.08～0.12 MPa。靜壓潤滑系統(tǒng)的功能為在電機(jī)開始轉(zhuǎn)動或者電機(jī)停止轉(zhuǎn)動的過程中，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不足以使軸承內(nèi)部形成完整的潤滑油膜時，利用靜壓泵打出的高壓油將主軸頂起，防止主軸和兩側(cè)的動靜壓油膜軸承發(fā)生金屬直接摩擦，起到保護(hù)動靜壓軸承的作用。

油膜軸承的最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到8 000 r/min，系統(tǒng)選用的直流電機(jī)只能產(chǎn)生最高1 000 r/min的轉(zhuǎn)速，因此，在設(shè)計的時候增加了增速器，并將轉(zhuǎn)速調(diào)高8倍。增速器需使用齒輪油進(jìn)行潤滑，因此，設(shè)計了專用的增速器稀油潤滑系統(tǒng)。

油膜軸承在實際的使用情況下會產(chǎn)生軋制力。因此，要模擬實際生產(chǎn)情況，就需要對試驗用的油膜軸承創(chuàng)造類似實際生產(chǎn)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)使用比較穩(wěn)定的液壓加載方式向試驗軸承施加載荷。液壓泵將油打出，通過控制比例溢流閥的開口度來控制壓力。在試驗軸承上的牌坊安裝有液壓缸，液壓缸伸縮桿壓下時接觸軸承座來施加壓力。該系統(tǒng)最高可向試驗軸承施加90 t的壓力。

電氣控制系統(tǒng)的核心是PLC。試驗臺使用的是西門子S7-300PLC，PLC通過各種模塊來控制相應(yīng)的繼電器和接觸器，進(jìn)而控制各個開關(guān)、閥、信號燈的電源通斷。此外，PLC還可以對傳感器信號進(jìn)行處理。

油膜軸承要求的潤滑油溫度在40℃，當(dāng)加熱器將潤滑油加熱到所需溫度時，加熱器應(yīng)自動停止工作。此外，油膜軸承可能在不同的工況下工作，對潤滑油的溫度有不同的要求，如果油膜軸承潤滑油的加熱溫度能夠自由設(shè)定，當(dāng)出口溫度達(dá)到了所需的溫度時就自動斷開，則會在很大程度上提高控制系統(tǒng)的可操作性。

因此，對試驗臺的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在界面上添加設(shè)定加熱溫度的輸入框，將設(shè)定的溫度傳送到PLC中，設(shè)定的溫度與實際溫度進(jìn)行對比，使用比較器實現(xiàn)。比較器采用實數(shù)比較器，可以提高溫度判斷的精度。加熱器溫度判斷程序。以加熱溫度20℃為例，當(dāng)潤滑油出口溫度達(dá)到20℃時，滿足條件，此時比較器輸出高電位，該電位使線圈M0.1閉合，使加熱器斷開。當(dāng)溫度未到達(dá)20℃時，則比較器不輸出高電位，判斷標(biāo)志位不能得到高電位，此時加熱器持續(xù)工作，直到傳感器檢測到潤滑油溫度達(dá)到20℃停止工作。

3 比例溢流閥對油膜軸承的影響

油膜軸承模擬生產(chǎn)情況下的云狀情況時，一個重要的因素就是軋制力。軋制力的大小影響油膜壓力和油膜厚度的大小，同時也影響著油膜溫度的分布。油膜軸承試驗臺在給試驗軸承施加模擬軋制力時是通過液壓缸來完成。軸向柱塞泵將液壓油打出，通過比例溢流閥的開口度來控制壓力的大小，通過電磁換向閥來控制液壓缸的上升和下降。載荷控制的精度直接影響著油膜參數(shù)的變化，當(dāng)前試驗臺的載荷采用的是開環(huán)控制方式，上位機(jī)給定壓力，經(jīng)過PLC模擬量輸出模塊輸出模擬信號，該模擬信號經(jīng)過放大器放大后驅(qū)動比例溢流閥的閥芯動作。因為開環(huán)控制中沒有反饋，因此不能在設(shè)置壓力后進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，以減小壓力的誤差。

4 比例溢流閥的PID控制

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂、性能好、可靠性高，使用中不需要知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)節(jié)參數(shù)即可獲得滿意的結(jié)果，且容易實現(xiàn)多回路控制，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

將偏差的比例（Proportion）、積分（Integral）和微分（Differential）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱PID控制器。模擬量的PID控制理想方程如公式（1）所示[5]：

離散化：

離散結(jié)果：

式中：KP為控制器的比例系數(shù)；TI為控制器的積分時間，也稱積分系數(shù)；TD為控制器的微分時間，也稱微分系數(shù)。

PID控制系統(tǒng)中，對偏差的計算需要比例、積分、微分共同作用，三者的作用也是各不相同的。

1）比例控制?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

2）積分控制?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項隨著時間的增加而增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。

3）微分控制?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。微分控制能預(yù)測誤差變化的趨勢，提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。

5 結(jié)語

我國裝備制造業(yè)正處在改變發(fā)展方式的重要階段，要想在激烈的國際競爭中占有一席之地，就要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和設(shè)備的研究，突破國外對我國的技術(shù)封鎖，找到我國的自主創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的道路。因此，油膜軸承使用和升級改進(jìn)，有利于自主創(chuàng)新，并通過實驗探索解決生產(chǎn)中存在的問題，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，為我國重大裝備的技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。